基于地震多属性技术解释煤层冲刷变薄

张 昭, 邱兆泰, 田锦瑞, 牛清华, 张晓盼, 张灯亮, 曹秀森, 台立勋, 段 刚, 耿晓兵

(河北省煤田地质局物测地质队,河北邢台 054000)

0 引言

当前，煤炭资源在我国能源结构中处于首要地位，这种状况在短期内不会改变。因此，煤炭开采生产在我国国民经济中作用巨大，而煤层厚度变化是煤矿开采的主要影响因数之一，其严重制约煤炭采掘工作的正常进行，致使采掘比例失调，提高了生产成本，降低了工作效率[1-5]。煤层厚度计算方法一般分为地质分析法、钻探法和地球物理勘探法。其中地质分析法主要收集前期勘查资料，着重分析断层、褶曲等构造和岩浆活动对煤厚影响规律，能够有效反应区域信息，局部资料把握有限；钻探法基于单个或多个钻孔，煤厚数据准确，但限于钻孔数目限制，内插后煤层厚度具有一定误差；地球物理勘探法对煤层厚度具有方便、快捷的优势，但存在探测精度差异较大的特点[6-7]。针对此情况，迫切需要提出一种行之有效的预测煤层厚度变化的技术方法。

近年，随着三维地震勘探水平的不断提高，获取的地震数据体中包含的信息更加丰富，地震资料中包含着丰富的地球物理信息(地震属性)。地震属性能够刻画、描述地层结构，岩性特征，不同的地震属性反映不同的地质信息[8-14]。这为利用地震属性开展储层横向预测研究煤层厚度变化提供了数据支撑。本文通过提取研究区内均方根振幅、最大振幅、频谱总能量和体反射谱四种属性，对煤层冲刷变薄区进行了圈定，效果良好，为矿方巷道布置，采掘工作节约了成本。

1 煤层冲刷变薄成因

冲刷带的成因一般是由于古河流在泥炭层、含煤沉积中流过，使泥炭层或含煤沉积被疏导冲蚀[5,15-16]。冲蚀作用对煤层造成局部区域或全部的破坏，局部区域冲刷导致煤层变薄，全部冲刷则出现无煤带。煤层冲刷一般分为同生冲刷和后生冲刷两类[17-21]。

同生冲刷，冲刷作用是在泥炭层被上覆沉积物覆盖之前进行的，冲蚀的深度和面积都比较小；泥炭层在被覆盖之前，泥炭沼泽受到海水入侵成为灰岩顶板。遭受海水反复冲蚀，泥炭层和形成的煤层顶面呈现出凹凸不平的特征，致使其上覆灰岩顶板底面同样凹凸不平，此种情况俗称“蛤蟆顶”，常出现在山西、山东部分煤田。

后生冲刷，冲刷作用多作用于泥炭层被上覆沉积物覆盖之后，其形成时间一般为煤系沉积过程中，或煤系地层沉积完成之后，沉积完成之后的情况其冲蚀面积和切割深度较大。冲刷带附近煤炭水分、灰分增加，色泽变暗，显示出煤层被冲刷作用所破坏。

煤层冲刷给地质勘探、构造圈定、合理开采造成很大的困难，因此，在煤矿地质工作与井田勘探中，需要查明煤层冲刷的范围、大小和类型，研究其规律和特点，从中圈出无煤区[21-22]。

2 地震属性分类及提取

2.1 地震属性分类

随着数学、信息科学等领域新知识的飞速发展、引入和广泛应用，地震数据体中提取的地震属性种类愈加丰富[9-10,19]，多种地震属性体能够反应地下地质体储层的厚度、物性等参数，帮助指导对地下地质体的精细解释。常用提取方法有基于地震数据解释层位提取的面属性提取和基于整个或部分地震数据体做属性计算的体属性提取。即沿层地震属性、体处理属性。

通常依据地球物理属性分类统计，一般分为振幅、相位和频率三种类型：

振幅类：均方根振幅、瞬时振幅、最大能量、平均能量及其演变产生的一系列属性。

相位类：瞬时相位等及其演变产生的一系列属性[23]。

频率类：主频、瞬时频率、带宽、波数等及其演变产生的一系列属性。

2.2 地震属性优选

地震地层学原理认为，地震时间剖面上的反射波波组特征通常拥有年代分界面的意义，地层岩性和沉积相的研究主要依托于地震反射波组特征和其横向变化。利用地震属性分析技术开展储层横向预测一般存在多解性，表现为某种地震属性其参数发生改变显示出地质因素的变化，而某种地质现象变化会造成多种地震属性的异常表现。于是，在预测分析地震属性的过程中，在多种地球物理参数中如何选取能够有效反映地质特征变化的参数，是地震属性预测的主要问题[23]。

各种地震属性参数具有不同的数学含义和地球物理含义，反映的地质规律也不一样。如何科学合理地选择能够契合实际地质因素变化的地震属性，同时开展组合研究是利用地震属性进行储层预测的难题。结合本次研究区开展的工作，选取振幅类属性中的均方根振幅、最大振幅和频率类属性中的频谱总能量、体反射谱进行煤层厚度变化研究。

地震岩性解释和储层预测常用的动力学属性为反射波振幅和频率，其中，振幅属性特征分析可提取均方根振幅、最大振幅，频率属性特征分析可提取频谱总能量、体反射谱。这些属性能够反映目标层内地层厚度、波阻抗、岩石成分、流体特征和孔隙度变化，开展地层学特征追踪与研究。

均方根振幅(RMS)，是指振幅时间或深度窗口中的反射率。可识别暗点、亮点。储层厚度变化、河道冲刷引起的岩性横向变化均可造成RMS 振幅变化。煤层变薄、尖灭或断层引起的错断等也可引起RMS振幅变小。

最大振幅 (Max Amplitude)，是在给定的数据体(给定的时间或深度)中寻找每一道的最大振幅，并在相应的网格单元中显示。最大振幅属性变化是由于含气砂岩改变导致数据异常，一般用来检测亮点变化，亦是地层序列和岩性变化比较敏感的属性，常用于薄互层分析和微构造分析。

频谱总能量(Spectral Total Energy)，计算窗口内某段频谱的总能量，并在相应的网格单元中显示。频谱总能量可以展现储层的横向频谱变化。可以指示地层是否含烃或有空洞产生。对于煤层来说，频谱变化能够反映储层厚度的变化，能量越高煤层厚度可能越大，反之，越薄或含有空洞。

体反射谱(VRS),常用于识别岩性的横向变化，目的是将地震道分解成不同频率、振幅的简单谐波，通过分析不同频率、振幅的简单谐波研究不同规模、不同层次的地质体的分布特征，从而对地质体和储层展布进行研究[24]。

3 应用实例

3.1 工作区概况

济宁三号煤矿是兖州煤业股份有限公司下属的大型煤炭企业。现代化煤矿生产对井下地质构造特征，煤层覆存情况变化等要求较高，为保障矿井安全开采和生产，进一步查明工作面内的地质构造情况，济宁三号煤矿对十采扩大区进行了三维地震勘探工作。

勘探区内主要可采煤层为3上、3下、16上、17煤层，通过对区内23个钻孔的统计分析，各煤层的特征如表1所示。

表1 勘探区煤层特征表

通过对本次研究区内已有地质资料的分析，揭示出3上煤层整体由北向南变薄，局部存在煤层冲刷变薄区；3下煤的冲刷无煤变薄区分布在勘探区东南部和西北部；16上和17煤煤层厚度虽薄但基本全区赋存。

3.2 煤层冲刷变薄特征

研究区内主采煤层3上煤和3下煤均受到不同程度的冲刷，煤层受到冲刷后会消失或者变薄，在地震时间剖面上表现为煤层反射波的消失或能量变弱[25-26]。资料解释过程中，结合已知钻孔的揭露情况将反射波消失或能量变弱的区域加以圈定，以初步确定煤层冲刷区的分布情况。本次研究工作以3上煤层为主要对象，其冲刷特征在地震时间剖面表现为3上煤层反射波变弱或消失，表明3上煤层部分冲刷变薄或全部受到冲刷(图1)，其中图1(a)为煤层全部冲刷，显示3上煤层反射波消失；图1(b)为3上煤层部分受到冲刷，显示3上煤层反射波变弱。

图1 煤层冲刷变薄在时间剖面上的反应Figure 1 Response of coal seam scouring thinning on time profile

3.3 属性体技术确定煤层冲刷变薄区

为更好地确定煤层冲刷变薄区域，对3上煤层开展属性体研究。通过对以上剖面的属性分析可知，冲刷区域的均方根振幅、最大振幅变小、谱能量降低。因此利用地震属性处理技术沿主要目的层(3上煤层)提取了相关的地震属性，得到3上煤层的四种属性(均方根振幅、最大振幅、频谱总能量、体反射谱)结果(图2)。

图2(a)是研究区3上煤层的RMS(均方根振幅)沿层切片。从图上可以看出均方根小于5 000的区域(黑色)，其与周边振幅差异较明显，推测为煤层变薄、冲刷区；图2(b)是3上煤层最大振幅沿层切片，最大振幅小于10 000的区域(红色、黄色)与相邻及其他区域差异明细，推测为煤层变薄、冲刷区；图2(c)是3上煤层上下10ms内的0～100Hz中中心频率为50Hz的频谱总能量，频谱能量低的区域往往是煤层较薄或不发育的区域；图2(d)是研究区体反射谱沿层切片，能够明显看出横向上岩性变化，推测圈定区域为煤层受到冲刷。从四种属性体沿层切片看出，属性体发生变化的区域位置相同，基本能够圈定煤层冲刷变薄区。

为更好地确定煤层冲刷变薄的特征，选定三条时间剖面进行具体分析(图3)。图3(a)为LJ-1线，经过钻孔S49、C7-12和S41,其中，S49与S41孔3上煤层缺失；图3(b)和图3(c)为垂直交叉经过钻孔S49的两条剖面Crossline1125和Inline1448。从三条时间剖面图中可以看出，3上煤反射波不发育或变弱，确定为煤层冲刷变薄。

资料提交矿方后，矿方进行了补勘工作，布置三个钻孔(补13、补16、补17)。补16位于LJ-1线西

图2 地震属性体分析图Figure 2 Analysis diagram of seismic attribute volume

图3 3上煤层冲刷在时间剖面图上的反映Figure 3 Reflection of 3U coal seam scouring zone on time profile

南端地震预测煤层冲刷区内，经钻孔验证3上煤层缺失；补17孔位于Crossline1448线南部，钻遇3上煤层，层厚1.82m；补13孔位于预测冲刷区外部，用于验证地震预测结果，钻遇3上煤层，层厚2.0m。验证孔的实施，对于地震属性预测煤层冲刷结果给予了肯定。

图4 3上煤冲刷区分布Figure 4 Distribution map of 3U coal scouring zone

结合RMS均方根振幅、最大振幅、频谱总能量和体反射谱属性对于煤层冲刷变薄的研究，并与实际地质资料和验证情况相结合，得到了 3上煤冲刷区分布情况(图4)，从图中看出，在3上煤底板上由南向北分布有三处连片且面积较大的冲刷区，另外还有一些零散的冲刷区，冲刷面积约为1.80km2。

4 结论

1)运用地震属性体技术，对煤层冲刷变薄开展研究。依据均方根振幅、最大振幅、频谱总能量和体反射谱四种属性得到了煤层横向岩性的变化，推测了煤层冲刷变薄的范围。

2)分析了已有地质资料，结合三维地震数据体中煤层反射波在时间剖面反映特征和地震属性解释成果，圈定了3上煤层冲刷变薄区域，经矿方补勘作业，验证了地震属性体解释的作用。

3)促进了三维地震资料解释的精细化，可以防止漏判、误判储层及其构造状况，提高地震数据对储层的厚度、范围、地质状况等地质因素分析的准确性和可信度，应用地震属性体处理，加强地震属性分析，以指导矿方对煤层的采掘部署和生产计划，提高煤炭回采率。